Estudo de multicamadas com anisotropia magnética perpendicular e sua aplicação em dispositivos emissores de luz polarizada em Spin

Abstract

Resumo: A detecção eletrônica eficaz de corrente polarizada em spin se mantém um importante desafio na spintrônica com semicondutores. Dentre as estratégias de abordagem desse tema se destaca a utilização da detecção óptica das correntes polarizadas em spin através de dispositivos emissores de luz com estrutura diodo, denominados Spin-LED. De acordo com as regras de seleção ópticas, a eficiência da emissão de luz polarizada nesses dispositivos depende da magnetização do eletrodo ferromagnético injetor ser paralela ao eixo de quantização do poço quântico imerso no diodo formador do dispositivo. Neste trabalho é descrito e discutido o desenvolvimento de um dispositivo emissor de luz na faixa do infravermelho próximo fabricado a partir de uma heteroestrutura semicondutora do tipo GaAs/AlGaAs, cuja operação dispensa a necessidade de aplicação de um campo magnético externo. Isso foi obtido através da otimização do estado remanente de um eletrodo ferromagnético injetor com anisotropia magnética perpendicular. Os eletrodos ferromagnéticos foram desenvolvidos utilizando a técnica de pulverização catódica. Eles consistem de sistemas de multicamadas Co/Ni, Co/Pt e CoFeB/Pt, integrados à heteroestrutura semicondutora através de uma camada de MgO que atua como uma barreira túnel entre o ferromagneto e o semicondutor. Um estudo preliminar foi realizado para obter multicamadas constituídas de bicamadas formadas por Co ou CoFeB e um metal Ni ou Pt, com espessuras x e y, respectivamente, repetidas Z vezes. Esses estudos foram realizados sobre substratos de SiO2 amorfo recobertos por uma camada buffer de Pt de 20 nm de espessura. Para se obter a anisotropia magnética perpendicular foram variadas as espessuras x e y das camadas, bem como o número de repetições Z. A caracterização magnética foi realizada através de microscopia de força magnética, magnetometria de gradiente de força alternante e magnetometria SQUID. Análises de microscopia eletrônica de transmissão em seção transversal foram usadas para calibrar as espessuras e confirmar a modulação química dos depósitos nas multicamadas. Esses resultados experimentais não indicam a formação de ligas nas interfaces. Diversas espessuras da camada buffer e tipos diferentes de substratos foram usados tendo em vista a obtenção de propriedades físicas favoráveis a maior eficiência dos dispositivos Spin-LED. Dispositivos completos foram fabricados usando multicamadas Co/Pt com camadas buffer de Pt de 0,4 e 0,6 nm de espessura. Medidas de eletroluminescência revelaram que dispositivos com camada buffer de Pt com 0,4 nm de espessura apresentam uma emissão com polarização da luz de aproximadamente 1,5 %, com a aplicação de um campo magnético de 500 Oe, à temperatura de 20 K. Os dispositivos com camadas buffer de Pt com espessura de 0,6 nm não apresentaram polarização da luz, provavelmente devido à camada de Pt não estar totalmente polarizada magneticamente. Dispositivos com uma fina camada de Fe de 0,3 nm de espessura entre a camada de MgO e a camada buffer de Pt de 0,6 nm exibiram anisotropia perperpendicular ao plano e apresentam uma polarização da luz de 3,5 % sem a aplicação de campo magnético externo, à temperatura de 20 K, mostrando a possibilidade de se fabricar dispositivos Spin-LED sem a aplicação de um campo magnético externo. Os resultados deste trabalho mostram também que, além dos dispositivos Spin-LED, dispositivos como o VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) podem ser desenvolvidos, abrindo um leque para outras aplicações tecnológicas.